Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle
Ciencia Unisalle
Ingeniería en Automatización Facultad de Ingeniería
1-1-2006
Diseño de un compactador automático de suelos para ensayos
Diseño de un compactador automático de suelos para ensayos
Marshall
Marshall
Rafael Ricardo Herrera Santana Universidad de La Salle, Bogotá Cesar Augusto Martín Castellanos Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada Citación recomendada
Herrera Santana, R. R., & Martín Castellanos, C. A. (2006). Diseño de un compactador automático de suelos para ensayos Marshall. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_automatizacion/91
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DISEÑO DE UN COMPACTADOR AUTOMÁTICO DE SUELOS PARA ENSAYOS MARSHALL
RAFAEL RICARDO HERRERA SANTANA CESAR AUGUSTO MARTÍN CASTELLANOS
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA DE DISEÑO & AUTOMATIZACIÓN ELECTRÓNICA
DISEÑO DE UN COMPACTADOR AUTOMÁTICO DE SUELOS PARA ENSAYOS MARSHALL
RAFAEL RICARDO HERRERA SANTANA CESAR AUGUSTO MARTÍN CASTELLANOS
Proyecto de diseño para optar al título de Ingeniero de Diseño & Automatización Electrónica
Asesor JAVIER SIERRA Ingeniero Electrónico
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA DE DISEÑO & AUTOMATIZACIÓN ELECTRÓNICA
BOGOTA D.C. 2006
Nota de aceptación
Jurado
Jurado
Doy gracias a Dios y a todas aquellas personas que siempre me acompañaron en el largo camino de mi vida, hoy quiero compartir este triunfo con mis padres por que siempre estuvieron hay para hacer de mi una persona mejor.
Un largo camino y siempre acompañado. Para Oliverio y Carmen, los mejores padres del mundo; a mi familia en la cual siempre puedo confiar y amigos con los que se puede contar.
CONTENIDO pág. OBJETIVOS………. 11 INTRODUCCIÓN………. 12 1. JUSTIFICACIÓN………... . 14 2. MARCO TEÓRICO……….. 16 2.1. ENSAYO MARSHALL………..……… 16 2.2. PROCESO DE COMPACTACIÓN……….……… 18
3. TEORÍA DEL DISEÑO DEL COMPACTADOR ………. 24
3.1. INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DEL COMPACTADOR………. … 24
3.2. SISTEMA NEUMÁTICO……….………. 25
3.2.1. Cilindro de doble efecto... 26
3.2.2. Válvulas 5/2………... 27 3.2.3. Sensores magnéticos……….……….. 28 3.2.4. Contador eléctrico………..……….. 29 3.2.5. Unidad de mantenimiento………..………. 30 3.2.6. Accesorios……….. 31 3.3. SISTEMA DE CONTROL……… 32 3.3.1 El PLC en la industria……… 32
4. DISEÑO DEL COMPACTADOR ……….. 34
4.1. SISTEMA NEUMÁTICO..……… 34
4.1.1.1. Circuito de control……….………. 35
4.1.1.2. Circuito de potencia……….. 37
4.1.1.3. Circuito neumático……… 38
4.1.1.4. Diagramas de estado………..………... 40
4.1.2. Simulación paso a paso……….……..……….. 43
4.1.2.3. Elementos utilizados en la simulación……….. 48
4.2 SISTEMA DE CONTROL……… 49
4.2.1. Programa ……….. 49
4.2.2. Diagrama de conexión del PLC y variables ……… 52
4.2.3. Descripción de los programas ……….. 55
4.2.4. Descripción de las aplicaciones………. 55
4.3. Diseño del sistema del Compactador………...……….……….. 56
4.3.1. Diseño del centro de mando según normas de ergonomía………... 57
4.3.2. Diseño de la máquina (cálculos) ……….. 61
4.3.3. Simulación en Visual Nastran………..……....……. 100
4.3.3.1. Análisis de diseño ………..………… 100
4.3.3.2 Simulación de compactación………..………….. 112
4.3.4. Planos del compactador………..……… 118
5. CRITERIOS DE SELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS……….. 119
5.1. POR QUÉ SE ESCOGIÓ UN PLC PARA EL SISTEMA DE CONTROL?... 119
5.2. POR QUÉ SE ESCOGIÓ EL ÁREA DE LA NEUMÁTICA? ……….….. 122
5.2.1. Cilindro de doble efecto... 124
5.2.2. Válvulas 5/2……...………..………... 125 5.2.3. Sensores magnéticos………...………. 126 5.2.4. Contador eléctrico……….….. 126 5.2.5. Unidad de mantenimiento……….………..………. 127 5.2.6. Accesorios………...……… 127 6. CONCLUSIONES……….……….… 128 7. RECOMENDACIONES……… 129 8. BIBLIOGRAFÍA……….……… 130 9. ANEXOS……….. 131
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Datos de Compactación………. 21
Tabla 2. Funciones de los pulsadores del control de mando……….. 36
Tabla 3. Descripción del funcionamiento de las válvulas………. 39
Tabla 4. Elementos usados en la simulación………. 48
Tabla 5. Colores para pulsadores según la función……….. 58
Tabla 6. Características de pulsadores manuales………. 59
Tabla 7. Datos del cilindro A……….. 71
Tabla 8. Datos del cilindro A seleccionado………. 71
Tabla 9. Datos del cilindro C……….. 74
Tabla 10. Datos del cilindro C seleccionado……… 75
Tabla 11. Características del PLC y del Pic………. . 120
Tabla 12. Características entre PLC’s……… 120
Tabla 13. Comparación entre sistemas………. 123
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Ensayos de Tensión………. 16
Figura 2. Ensayos del módulo dinámico……….. 17
Figura 3. Ensayos de Fatiga... 17
Figura 4. Martillo del equipo Marshall……… 17
Figura 5. Prensa y pedestal para pruebas Marshall……… 18
Figura 6. Muestras de las mezclas a compactar……… 19
Figura 7. Moldes para ensayos Marshall……… 20
Figura 8. Collar para sujeción y pedestal………. 20
Figura 9. Muestra obtenida por medio del ensayo Marshall………. 21
Figura 10. Flujograma del proceso manual de compactación………. 22
Figura 11. Flujograma del proceso automático de compactación………. 23
Figura 12. Compactador automático de suelos para ensayos Marshall……… 24
Figura 13. Cilindro de doble efecto……….. .. 27
Figura 14. Válvula 5/2 para cilindro doble efecto………. 28
Figura 15. Sensor magnético……….………. 29
Figura 16. Contador eléctrico……….………. 30
Figura 17. Unidad de mantenimiento……….………. 30
Figura 18. Bloque de distribución……….……… 31
Figura 19. Tubo de material sintético……….………. 31
Figura 20. Racor rápido……….……… 31
Figura 21. PLC, “FEC-FC20”……….……….. 32
Figura 22. Diagrama de control en Fluidsim……….……. 37
Figura 23. Diagrama de potencia en Fluidsim……….. 38
Figura 24. Diagrama del circuito neumático en Fluidsim………. 39
Figura 25. Diagrama de estado de los cilindros………. .. 40
Figura 26. Diagrama de estado de los cilindros en condiciones iniciales……. 41
Figura 27. Diagrama de estado para cinco ciclos………. 42
Figura 28. Funcionamiento del cilindro A y B (a)………. 42
Figura 29. Funcionamiento del cilindro A y B (b).……… 43
Figura 30. Diagrama de control para A-……….………… 44
Figura 31. Diagrama de potencia para A-……….……… 44
Figura 32. Diagrama de control para B+……….……….. 45
Figura 33. Diagrama de potencia para B+……… ... 45
Figura 34. Diagrama de control para A+………. 46
Figura 35. Diagrama de potencia para A+……….. . 47
Figura 36. Diagrama de control para B-……….. . 47
Figura 37. Diagrama de potencia para B-………. 48
Figura 38. Imagen de la organización de los subprogramas……….. 52
Figura 40. Imagen del PLC conectado………. ….. 54
Figura 41. Esquema de conexión del PLC………..….. 54
Figura 42. Imagen del centro mando………. 60
Figura 43. Medidas del martillo……… 65
Figura 44. Funcion del actuador “B” (a)……….. ….. 72
Figura 45. Funcion del actuador “B” (b)………. 72
Figura 46. Cilindro B……….……….... 73
Figura 47. Martillo……….………... 73
Figura 48. Cilindro C……….……….... 75
Figura 49. Altura para colocar los moldes………. ... 76
Figura 50. Soportes para los actuadores……….. … 77
Figura 51. Soporte superior……….………. 78
Figura 52. Diagrama de cuerpo libre (soporte superior, eje x)... … 78
Figura 53. Diagramas, fuerza cortante y momentos de deflexión………. 80
Figura 54. Diagrama de cuerpo libre (soporte superior, eje y)……….. … 83
Figura 55. Diagramas, fuerza cortante y momentos de deflexión…………. … 84
Figura 56. Soporte medio……….……… 87
Figura 57. Diagrama de cuerpo libre (soporte medio, eje x)……… 87
Figura 58. Diagramas, fuerza cortante y momentos de deflexión……….. 89
Figura 59. Diagrama de cuerpo libre (soporte medio, eje y)……… 91
Figura 60. Diagramas, fuerza cortante y momentos de deflexión…………. … 93
Figura 61. Lámina lateral……….………. 99
Figura 62. Soporte superior en Visual Nastran………. 101
Figura 63. Configuración de propiedades………. .. 101
Figura 64. Malla de elementos finitos……….. 102
Figura 65. Distribución de esfuerzos de Von Mises……….. 103
Figura 66. Deformación de la lámina superior………. … 104
Figura 67. Soporte medio en Visual Nastran………. …. 104
Figura 68. Configuración de propiedades………. 105
Figura 69. Malla de elementos finitos para soporte del cilindro A…………. 105
Figura 70. Distribución de esfuerzos de Von Mises……….. 106
Figura 71. Deformación de la lámina que soporta el cilindro A……… 107
Figura 72. Soporte del cilindro B……….……… 108
Figura 73. Parámetros de la lámina……….……… 108
Figura 74. Análisis de deformación del soporte B……… .. 109
Figura 75. Distribución de esfuerzos del soporte B……… 109
Figura 76. Distribución de esfuerzos en la estructura………. 110
Figura 77. Deformación de la estructura……… 111
Figura 78. Deformación en las láminas de la estructura………. 111
Figura 79. Fuerza de impacto sobre el pedestal………... 112
Figura 80. Martillo en Visual Nastran……….………….. 113
Figura 83. Paso 2 de la simulación……….………... 115
Figura 84. Paso 3 de la simulación………... 116
Figura 85. Paso 4 de la simulación……….. ……. 117
Figura 86. Velocidad Vs tiempo……….. ….. 118
LISTA DE ANEXOS
pág.
ANEXO 1. Norma I.N.V E-748………. 131
ANEXO 2. Cilindro de doble efecto, de fuerza……… 135
ANEXO 3. Cilindro de doble efecto, de carrera larga ……… 137
ANEXO 4. Cilindro de doble efecto, de carrera corta.……….. 139
ANEXO 5. Válvulas 5/2……….………. 141
ANEXO 6. Sensor magnético……….………..…. 143
ANEXO 7. Contador eléctrico ……….………….. 144
ANEXO 8. Unidad de mantenimiento………. .. 145
ANEXO 9. Accesorios………...……….……….. 147
ANEXO 10. PLC……….……….. 149
ANEXO 11. Programa del PLC ………...……….…………. 152
ANEXO 12. Simulación en Fluidsim…………...………. 154
ANEXO 13. Planos de la máquina………...……….………… 155
ÍNDICE DE ECUACIONES
pág.
Ecuación 1. Fuerza de caída del martillo……… 62
Ecuación 2. Velocidad final del martillo……….. 62
Ecuación 3. Tiempo de caída del martillo……….. 63
Ecuación 4. Esfuerzo de tensión……….……… 63
Ecuación 5. Criterio de fluencia……… 64
Ecuación 6. Fórmula de deformación ……… 65
Ecuación 7. Esfuerzo de compresión………. 66
Ecuación 8. Fuerza de impacto……….. 68
Ecuación 9. Presión de trabajo……….. ……. 70
Ecuación 10. Área de un circulo……… …… 70
Ecuación 11. Fuerza de retroceso……….. ….. 75
Ecuación 12. Máximo momento flector………. 80
Ecuación 13. Esfuerzo maximo……….. ….. 81
Ecuación 14. Area minima de esfuerzo……… 81
Ecuación 15. Factor de seguridad……… 82
Ecuación 16. Deflexión máxima……… 95
Ecuación 17. Momento de inercia………. .. 95
Ecuación 18. Fórmula de densidad……….. 96
Ecuación 19. Esfuerzo de Von Mises……….. 102
OBJETIVOS Objetivo general.
• Diseñar una máquina que realice el proceso de compactación de suelos para ensayos Marshall de forma automática, la cual asegurará la prueba con seguridad y calidad.
Objetivos específicos.
• Diseñar una máquina compactadora que cumpla con los parámetros de peso y longitud establecidos según las normas para ensayos Marshall. • Diseñar una máquina que será de uso industrial, apta para trabajo pesado. • Brindar al operario la opción de establecer el número de veces que desea
que sea compactada la muestra.
• Facilitar en un futuro la construcción de dicha máquina con la seguridad de un funcionamiento sin errores.
• Diseñar un sistema de control que cuente con requisitos como: parada de emergencia, stop y reset para una mejor manipulación por parte del operario.
• Diseñar el tablero de mando y las HMI necesarias de acuerdo a su funcionamiento.
• Desarrollar los procesos de cálculo y modelamiento por computador implicados en el proceso de diseño.
• Seleccionar los materiales apropiados para la construcción posterior basados en las condiciones de trabajo pesado.
• Documentar el proyecto con planos, referencias, etc. Necesarios para su construcción incluyendo manual de usuario y mantenimiento.
INTRODUCCIÓN
El problema de la infraestructura vial en el país radica en desconocer el comportamiento dinámico de los pavimentos debido a problemas de diseño, a la poca oferta y a la baja calidad de los asfaltos, bajas especificaciones de las mezclas y errores constructivos. Esto se puede ver reflejado en numerosas calles y carreteras del país, donde se encuentran gran cantidad de fallas tempranas, las deficiencias en los pavimentos también se deben a que las mezclas no poseen un buen comportamiento mecánico debido a que son sometidas a diferentes condiciones de trabajo, como flexión, compresión, tracción, cortante. Condiciones de trabajo que antes de aplicar no se han estudiado debido al bajo nivel tecnológico de los laboratorios.
Día a día la importancia de los laboratorios de Ingeniería civil es mayor, debido a que las muestras y resultados que se obtienen, permiten tener una idea clara del comportamiento en el medio en el que será aplicado; los ensayos en los laboratorios no solo analizan muestras que a futuro podrán aplicarse, si no que también controlan el comportamiento de estas en su medio, permitiendo hacer pronósticos para evitar futuros desastres.
Uno de los problemas que presenta el mundo de hoy en cuanto a los laboratorios es el bajo presupuesto que manejan, problema que finalmente se complementa con el alto costo de las máquinas e implementos que en ellos se maneja.
Gran parte de los laboratorios del país poseen dicho inconveniente, este problema se puede ver más específicamente en una clase de laboratorios que tal vez sean los más importantes ya que repercuten en la formación de nuevos profesionales: los laboratorios de las universidades.
Por medio de este diseño se quiere dar una alternativa para aquellos laboratorios que no cuentan con un presupuesto muy alto para la adquisición de esta clase de equipos, en el momento en que decidió diseñar el “COMPACTADOR AUTOMÁTICO DE SUELOS PARA ENSAYOS MARSHALL” no solo se pensó en una máquina que cumpliera con los parámetros establecidos en su respectiva norma (Norma I.N.V. E-748)1 si no que además tuviera un buen rendimiento en la industria por un costo mas bajo que otras máquinas similares, para que pueda estar al alcance de muchos mas laboratorios.
El proyecto consiste en automatizar el proceso de compactación para ensayos Marshall que se realiza en los laboratorios de ingeniería civil, como los elementos
1
NORMA DE ENSAYO DE MATERIALES DE CARRETERA, Tomo II, Instituto Nacional De Vías, Ministerio de transporte, Colombia – Bogota, Julio de 1998. p. 748-1
que intervienen en el proceso de compactación ya están parametrizados en la norma I.N.V. E-748 (ver anexo 1), no se podrán variar. El proyecto consiste en el ensamble de estas partes, en una única estructura que funcionará por medio de un sistema neumático, el cual se controlará por medio de un PLC programado con las funciones de “Stop” , ”Start”, ”Subir estructura”, ”Bajar estructura”, “Paro de emergencia”, “Reset” y un contador. Aunque en la norma hace referencia a todos los pasos de preparación, compactación y resultados de la muestra, el proyecto únicamente se concentra en la parte de compactación, por lo que el estudio de la muestra y la preparación de ella en determinadas temperaturas nada tienen que ver con el proyecto.
El diseño de estas partes se desarrollará en Solid Edge, y se simulará en Visual Nastran, en cuanto a la parte neumática se programará por medio de un PLC y se probará en un software de simulación neumática. Aunque fluidsim no permite el uso de los PLC’s en la simulación, esta se simulará por medio de pulsadores manuales y relés. En cuanto a la parte de diseño de la máquina se harán los cálculos neumáticos referentes a las necesidades en cada uno de los actuadores según sea necesario, también se desarrollarán cálculos mecánicos para conocer los datos mas relevantes, como lo son la deformación en el eje del martillo, la velocidad con la que cae la pesa (martillo), fuerza con que cae la pesa, deformación del soporte sobre el que la pesa colisiona, y esfuerzos donde se soporte cada uno de los actuadores, el resto de cálculos sobre los demás elementos no se desarrollan, puesto que estos ya fueron desarrollados para el establecimiento de la norma, donde también se decidió el tipo de material para los elementos y sus dimensiones, por lo cual esto no hace parte del proyecto.
1. JUSTIFICACIÓN
El objeto del diseño de una mezcla asfáltica es determinar la proporción adecuada de cemento asfáltico en la mezcla, que asegure que esta presenta:
a) Suficiente estabilidad como para satisfacer las exigencias del servicio sin desplazamientos o distorsiones.
b) Suficiente asfalto para asegurar la obtención de un pavimento durable que resulte del recubrimiento completo de las partículas de agregado pétreo, impermeabilizando y ligando las mismas entre si, bajo una compactación adecuada.
c) Suficiente trabajabilidad para permitir una eficiente colocación de la mezcla con que se pavimentará, sin que se produzca segregación.
d) Suficientes vacíos con aire en la mezcla compactada, para proveer una reserva de espacio que impida exudaciones y pérdidas de estabilidad al producirse una pequeña compactación adicional bajo las cargas de tránsito, como los posibles aumentos de volumen del asfalto a altas temperaturas.
El método Marshall emplea muestras normales para ensayos de 2 ½ pulgadas de altura por 4 de diámetro, las cuales se preparan siguiendo un procedimiento especificado para calentar, mezclar y compactar las mezclas de agregados y cemento asfáltico.
Las dos características principales del ensayo son un análisis de DENSIDAD – VACÍOS y una prueba de ESTABILIDAD – FLUJO.
La estabilidad, es la máxima resistencia a la carga que la muestra normal soporta a 60 ºC cuando se ensaya, mientras que el flujo, es la deformación total que se produce en la muestra, desde la carga cero hasta la carga máxima.
Después de que se obtienen las probetas compactadas, se les practican varias pruebas dependiendo de la composición de las mismas, las cuales son determinantes para el estudio de los suelos asfálticos. Estas dependen de la calidad de las probetas; cada una de estas pruebas brinda un resultado más preciso y es en este momento donde se deja ver que al realizar todo este proceso manual de compactación de la muestra no se cuenta con una linealidad estándar, es decir que puede haber pequeños errores como que el martillo no este bien alineado con la muestra al momento de compactarla o que el operario no deje caer el martillo desde la altura especificada, esto debido al gran número de veces que
tiene que caer el martillo sobre la muestra, sin mencionar que este proceso se realiza por las dos caras de la muestra, además del tiempo que tiene que gastar el operario para realizar este proceso, y es por esta razón que cada ensayo es tan diferente del anterior, como lo será del siguiente y así mismo el análisis de sus resultados es impreciso, planteando la necesidad de aplicar algunos ajustes para el análisis de estos; por esta razón se ha decidido desarrollar un sistema que además de facilitar el trabajo del operario brindará una linealidad en cada una de las muestras compactadas, el proyecto dará la certeza de que la compactación de la muestra cumplirá con las especificaciones para este tipo de ensayos Marshall. Estudiando el proceso manual se deja ver lo complejo e incómodo para el operario y evidencia la falta de eficacia y eficiencia en el ensayo como tal. Analizando la operación repetitiva de levantar 10 libras (masa) a una altura determinada (que no debe variar), un número de repeticiones para cada ensayo; estos son los factores más influyentes que pueden generar un error bastante grande en la linealidad de las muestras, sin contar que se deben realizar mas de 2 ensayos por mezcla para tener un buen resultado.
La propuesta nace de una necesidad evidente en los laboratorios de Ingeniería Civil de la Universidad, para obtener los mejores resultados en las pruebas Marshall, eliminando todos los por menores que quitan calidad a la prueba como tal, y de esta forma controlar al máximo las variables implicadas en la misma.
El “COMPACTADOR AUTOMÁTICO DE SUELOS PARA ENSAYOS
MARSHALL” tiene como función primordial el poder obtener una linealidad en todas las muestras producidas evitando posibles errores en los cálculos que se podrán ver reflejados un tiempo después en la práctica.
2. MARCO TEÓRICO 2.1 Ensayo Marshall
2El método Marshall se emplea para dosificar mezclas en caliente de agregados
pétreos y cemento asfáltico con o sin la adicción de llenante mineral teniendo como objetivo principal determinar el contenido óptimo de asfalto para un determinado tipo de mezcla asfáltica.
El método puede utilizarse tanto para diseños en laboratorio como para controles de campo. Por medio de los compactadores Marshall se obtienen pequeñas muestras sobre las cuales se pueden realizar pruebas de densidad, estabilidad, deformación, contenido de vacíos en la mezcla y contenido de vacíos en el agregado mineral. Pero el resultado de todas estas pruebas depende principalmente de la calidad de las muestras de asfalto que se obtenga.
El asfalto es un material cementante de color negro o café oscuro, cuyo constituyente predominante es el betumen. Esta compuesto aproximadamente en un 90% de hidrocarburos y un 10% restante por unas tazas de azufre, nitrógeno, oxigeno y de metales como níquel, hierro y vanadio. La mayoría de los hidrocarburos que lo constituyen están presentes en el petróleo crudo, sin embargo en los procesos de destilación se eliminan los hidrocarburos ligeros, quedando en el asfalto los hidrocarburos pesados.
Entre los ensayos mas importantes para el cálculo de los pavimentos, que se realizan de las muestras obtenidas por el método Marshall, se encuentran: el ensayo de tensión (ver fig. 1), el ensayo de módulo dinámico (ver fig. 2) y el ensayo de fatiga (ver fig. 3).
Fig. 1. Ensayos de Tensión:
Imagen de los laboratorios de Ingeniería Civil de la Universidad de la salle
2
Fig. 2. Ensayos del modulo dinámico.
Imagen de laboratorios de Ingeniería Civil.
Fig. 3. Ensayos de Fatiga:
Imagen de laboratorios de Ingeniería Civil.
El equipo compactador Marshall tiene como tarea principal brindar unas muestras de asfalto de excelente calidad para poder realizar las pruebas pertinentes y determinar su efectividad en un ambiente determinado, cuenta con una serie de elementos, un molde de compactación especial de 4 pulgadas de diámetro, y 3 de altura con su collar de extensión, martillo de compactación con una zapata circular de 3/8 y 7/8 de diámetro (ver fig. 4), peso de 10 libras y una altura de caída de 18 pulgadas. (Norma I.N.V. E-748, ver anexo 1).
Fig. 4. Martillo del equipo Marshall.
Pedestal de compactación firmemente anclado al piso, prensa de ensayo y mordazas para ensayo con sus guías (ver fig. 5).
Fig. 5. Prensa y pedestal para pruebas Marshall.
Imagen de los laboratorios de la Universidad de la salle.
Dentro del proceso convencional del ensayo Marshall se implementan otros aparatos, los cuales son utilizados en el proceso, pero son externos a la máquina a diseñar. Dentro de los cuales se encuentran los siguientes: calentadores, termómetros, estufas, bandejas metálicas, balanzas, espátulas, guantes, cucharones, tamices y extractores de muestras.
Como se verá a continuación todos estos implementos y su proceso se describen según la norma I.N.V. E-748, pero como ya se había mencionado, el proyecto no hace referencia a la preparación de la muestra, ni al análisis de resultados, solo se mencionará su proceso como forma de documentación, para mas detalles sobre el ensayo y sus pasos ver anexo 1.
2.2 Proceso de compactación
A continuación se describe el proceso de compactación Marshall según la norma I.N.V. E-748 (ver anexo 1). Primero que todo, y teniendo en cuenta la norma, se deben preparar tres muestras para cada combinación de agregados y contenido de cemento asfáltico elegido. Tanto los agregados como el asfalto deberán cumplir individualmente las especificaciones correspondientes a ellos (norma I.N.V.E-748).
3Generalmente se emplean para el diseño 5 porcentajes diferentes de cemento
asfáltico, por lo que se deduce que es necesario elaborar, cuando menos, 15 muestras para ensayo. Luego debe calentarse la muestra, la temperatura indicada según la norma, a la cual debe calentarse el cemento asfáltico para producir
3
viscosidades Saybolt Furol de 85 ± 10 y 140 ± 14 segundos, se establece en la norma para ensayos Marshall.
Debe evitarse un calentamiento excesivo del cemento asfáltico, el cual trae como consecuencia su endurecimiento. 4La temperatura de los agregados deberá superar en 20 ºC a la del cemento asfáltico durante la mezcla, si es mayor puede perjudicar el mezclado, mientras que si es muy baja la envoltura de los agregados por el asfalto y la extensión de la mezcla serán difíciles. La experiencia ha demostrado que la mezclas de agregados y cemento asfáltico de 1200 gramos de peso permiten obtener muestras compactadas de 2.5 ± 0.01 pulgadas de altura. Por lo tanto para elaborar cada probeta se mezclarán las cantidades necesarias de cada fracción de agregados y cemento asfáltico para alcanzar dicho peso (cantidades especificadas en la norma).
Después de esto, se hace la mezcla entre agregados y asfalto con un palustre o mezclador mecánico tan rápido como sea posible con el fin de evitar pérdidas perjudiciales de temperatura (ver fig. 6). Este procedimiento se repite para las otras dos muestras que se van a preparar con el mismo porcentaje de cemento asfáltico.
Fig. 6. Muestras de las mezclas a compactar.
Imagen tomada del laboratorio de la Universidad de la salle.
Antes de colocarse la mezcla dentro del molde, tanto este como el pistón de compactación deben limpiarse con gasolina o kerosene, y colocarse a estufa entre 100 y 150 ºC por unos 30 minutos.
Al retirarlo de la estufa se arma el molde (ver fig. 7), se le coloca su base y collar de extensión y se introduce un papel de filtro en el fondo, colocando luego de manera rápida dentro de él, la mezcla de 1200 gramos, la cual debe emparejarse
4
con una espátula o palustre caliente, aplicando 15 golpes alrededor del perímetro y 10 en su interior, nivelando finalmente la superficie del material.
Fig. 7. Moldes para ensayos Marshall.
Imagen tomada del laboratorio de la Universidad de la salle.
La temperatura en este instante debe encontrarse dentro de los límites mencionados anteriormente o de lo contrario la mezcla debe descartarse, pues no se permite su recalentamiento.
A continuación, se sujeta el molde con el aro de ajuste que tiene para tal efecto, se coloca en el pedestal de compactación (ver fig. 8), se apoya sobre la mezcla la zapata del pistón y se aplican 35, 50 o 75 golpes5 (ver fig. 9) según la aplicación (norma I.N.V. E-748), a caída libre y cuidando que el vástago del pistón se mantenga siempre vertical.
Fig. 8. Collar para sujeción y pedestal.
Imagen tomada del laboratorio de la Universidad de la salle.
La energía de compactación para moldeo de las probetas para el ensayo Marshall dependerá de la intensidad de tránsito asumida en el proyecto de pavimento y definida según las siguientes categorías:
5
REYES LIZCANO, Fredy Alberto. Diseño racional de pavimentos. Ed. Escuele colombiana de ingenieros. Noviembre de 2003, 1 edición. P. 28.
Tabla 1. Datos de compactación
CATEGORÍA DE TRÁNSITO Número de golpes por cara Tránsito liviano (DTN menor de 10) 35
Tránsito mediano (DTN entre 10 y 100) 50 Tránsito pesado (DTN mayor de 100) 75 Tabla tomada de la norma I.N.V. E-748
Terminada la aplicación del número de golpes requerido, se retira el molde del dispositivo de ajuste, se le quita la placa de base y el collar de extensión, se invierte el molde y se vuelve a montar el dispositivo, aplicando el mismo número de golpes a la que ahora es la cara superior de la muestra.
Finalmente se deja enfriar la muestra a temperatura ambiente para luego extraerla del molde y marcarla con una crayola (ver fig. 9), se pesa la probeta y se mide su espesor; si su altura esta fuera de lo especificado, puede ajustarse la cantidad de agregado a utilizarse para elaborar las siguientes probetas. El peso específico “bulk” de una probeta compactada es la relación entre su peso en el aire y su volumen, incluyendo los vacíos permeables.
Fig. 9. Muestra obtenida por medio del ensayo Marshall.
Imagen tomada del laboratorio de la Universidad de la salle.
Este procedimiento de compactación se realiza sobre todas las muestras que se elaboren con los diversos porcentajes de cemento asfáltico, entre mejor quede el ensayo (muestra compactada) mejor serán los resultados de los cálculos determinados para esa mezcla, por eso la importancia de que estas muestras queden lo mejor posible.
A continuación se presenta el proceso anterior de forma manual (ver fig. 10) y de forma automática (ver fig. 11) por medio de flujogramas, los cuales darán una idea mas clara del desarrollo del proceso antes y después de la construcción del compactador automático de suelos para ensayos Marshall, los flujogramas solo comprenden la parte de compactación, ya que como se había mencionado, la preparación no es parte del proyecto.
Fig. 10. Flujograma del proceso manual de compactación.
Flujograma generado para el desarrollo del proyecto.
Se pone el molde en el pedestal y se sujeta por medio del sujetador.
Después de que se tiene el molde listo se ubica el martillo en la parte superior del molde, este tiene que permanecer siempre perpendicular al molde.
Una vez apoyada la zapata del pistón sobre la mezcla se aplican 35, 50 o 75 golpes según se especifique, siempre llevando la pesa a la altura indicada.
Terminada la aplicación del número de golpes requerido, se retira el molde de la prensa, se le quita la placa base y el collar de extensión, se invierte el molde y se vuelve a montar en la prensa.
Aplicando el mismo número de golpes del lado anterior
Nuevamente se ubica el martillo en la parte superior del molde.
Se retira el molde de la prensa y se deja enfriar a temperatura ambiente
Una vez que se tiene la mezcla a la temperatura apropiada se introduce en el molde para ensayos Marshall ( ± 150 ºC )
Una vez se haya enfriado la mezcla se retira del molde, evitando ocasionarle daños. FIN proceso
Fig. 11. Flujograma del proceso automático de compactación.
Una vez que se tiene la mezcla a la temperatura apropiada se introduce en el molde para ensayos Marshall ( ± 150 ºC ), lo hace el operario.
Se pone el molde en la compactadora de pavimento para ensayos Marshall, lo hace el operario.
Se digitaliza en el tablero el número de veces que se desea que sea compactada la mezcla (programación)
Terminada la ejecución del programa, se retira el molde de la compactadora, se le quita la placa base y el collar de extensión, se invierte el molde y se vuelve a montar, lo hace el operario.
Se da la indicación a la compactadora de continuar con el proceso, esta automáticamente compacta la muestra el mismo número de veces que el lado anterior.
Una vez se haya enfriado la mezcla se retira del molde, evitando ocasionarle daños.
Flujograma generado para el desarrollo del proyecto.
Se retira el molde de la prensa y se deja enfriar a temperatura ambiente.
INICIO
3. TEORÍA DEL DISEÑO DEL COMPACTADOR 3.1 Introducción al diseño del compactador
El proyecto del “compactador automático de suelos para ensayos Marshall” es el diseño de una máquina que se encarga de realizar de forma automática el tedioso proceso de compactar muestras en los laboratorios de ingeniería civil de todo el mundo, este diseño cumple con todos los parámetros establecidos en la norma I.N.V. E-748 (ver anexo 1) ya que se rige por ella en el diseño de todas sus piezas. El diseño físico de la máquina fue desarrollado por los autores de la propuesta de forma que fuera bastante cómoda a la hora de trabajar en ella y que su tamaño fuese lo mas reducido posible, además de que se tuvo en cuenta que el diseño físico de la máquina no afectará en nada el diseño del las piezas establecidas por la norma. Primero se dará una imagen del conjunto de la máquina (ver fig. 12), para que el lector tenga una idea de la máquina, además se hará una inducción de los sistemas utilizados (neumática, PLC), para que el lector pueda entender el por qué de la selección de cada uno de ellos, finalmente se explicará el diseño de los sistemas.
Fig. 12. Compactador automático de suelos para ensayos Marshall.
3.2 Sistema neumático
6Hoy en día, la neumática constituye una herramienta muy importante dentro del
control automático en la industria gracias a las ventajas que posee frente a otros sistemas. Causa asombro el hecho de que la neumática se haya podido expandir en tan corto tiempo con tanta rapidez. Esto se debe, entre otras cosas, a que en la solución de algunos problemas de automatización no puede disponerse de otro medio que sea más simple y más económico.
7El estudio y la investigación de la neumática en la industria han encontrado en
ella factores relevantes para la eficiencia en el mercado. La neumática posee características en los procesos que ninguna empresa dejaría pasar, algunas de las características más relevantes son:
a) Abundante: El aire necesario para su funcionamiento prácticamente es abundante en todo el mundo, en cantidades ilimitadas.
b) Transporte: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno.
c) Almacenable: No es preciso que un compresor permanezca continuamente en servicio, el aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos.
d) Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura, garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas. e) Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo
tanto, no es necesario disponer instalaciones antideflagrantes, que tienen un alto costo.
f) Limpio: El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en elementos, no produce ningún ensuciamiento, este aspecto es muy importante en industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero. g) Constitución de los elementos: La concepción de los elementos de trabajo
es simple por lo cual también económico.
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h) Velocidad: Es un medio de trabajo muy rápido y, por eso, permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas.
i) A prueba de sobrecargas: Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden trabajar hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas.
Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también las propiedades adversas.
a) Preparación: El aire comprimido debe ser preparado, antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes).
b) Compresible: Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y constantes.
c) Escape: El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya se ha resuelto en gran parte, gracias al desarrollo de escapes regulados y materiales insonorizantes.
A continuación, se describirá cada uno de los elementos utilizados para el funcionamiento neumático, y se darán sus indicaciones correspondientes según las especificaciones del fabricante, con la intención de que si en un futuro alguien quisiera construir la máquina tendría las referencias de cada uno de los elementos y sus manuales de especificaciones.
Básicamente, todos los elementos utilizados en esta máquina son del mismo proveedor (FESTO) debido a que en la universidad se cuenta con todos ellos y se hace mas fácil el montaje y comprobación de los diseños, pero en ningún momento se limita a la persona que desee construirla, y al contrario, por medio de sus manuales de especificaciones se brinda la opción de buscar elementos homólogos con otros proveedores.
3.2.1. Cilindro de doble efecto
8El cilindro de doble efecto (ver fig. 13), es el tipo mas corriente utilizado por la
industria. La presión neumática puede aplicarse en cualquiera de los dos orificios suministrando fuerza cuando el vástago entra o sale. La mayoría de los cilindros que se están utilizando actualmente son cilindros básicos de doble efecto, estos
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cilindros se denominan también cilindros diferenciales porque presentan áreas distintas, expuestas a la presión durante la carrera de entrada o de salida del vástago. El vástago sale más despacio de lo que entra por que se necesita más aire para llenar el área mayor del pistón. No obstante se puede ejercer una fuerza superior porque la presión actúa sobre el área mayor del pistón mayor.
El diseño de estos cilindros es similar al de los cilindros de simple efecto. No obstante, los cilindros de doble efecto no llevan muelle de reposición y, además, las dos conexiones son utilizadas correspondientemente para la alimentación y la evacuación del aire a presión. Los cilindros de doble efecto ofrecen la ventaja de poder ejecutar trabajos en ambos sentidos. Se trata, por lo tanto, de cilindros sumamente versátiles (ver anexo 2, 3 y 4).
Fig. 13. Cilindro de doble efecto
Imagen tomada de la página de FESTO, www.festo.com.co
3.2.2. Válvula 5/2
Las válvulas de vías son dispositivos que influyen en el “paso”, el “bloqueo” y la dirección de flujo de aire. El símbolo de las válvulas informa sobre la cantidad de conexiones, la posición de conmutación y sobre el tipo de accionamiento. Sin embargo, los símbolos nada indican sobre la composición de las válvulas, limitándose a mostrar su función.9
La posición inicial de una válvula equipada con un sistema de reposición (que puede ser, por ejemplo, un muelle) se refiere a la posición que ocupan las piezas móviles de la válvula cuando no esta conectada.10 La posición normal de una válvula, es aquella que se refiere al estado en el que se encuentran las piezas móviles de la válvula montada en un sistema neumático cuando se conecta la alimentación de presión de la red neumática o, cuando corresponda, eléctrica. Es decir, se trata de la posición a partir de la cual empieza a ejecutarse el programa de mando (ver anexo 5).
9
11Las válvulas 5/2 vías tienen 5 conexiones y dos posiciones (ver fig. 14). Estas
válvulas son utilizadas principalmente como elementos de maniobra para el accionamiento de cilindros. Las válvulas de corredera longitudinal son un ejemplo de válvulas 5/2 vías. En su calidad de elemento de mando, estas válvulas tienen un embolo de mando que se encarga de unir o separar los conductos correspondientes, efectuando movimientos longitudinales. Se necesita poca fuerza para el accionamiento por que no es necesario superar la resistencia del aire comprimido o del muelle (método de bola o de plato). En el caso de las válvulas de corredera longitudinal, es posible aplicar todos los tipos de accionamiento, ya sean manuales, mecánicos, eléctricos12 o neumáticos. Estos mismos tipos de accionamiento pueden también ser utilizados para los movimientos de reposición. Las válvulas de 5/2 vías son utilizadas con frecuencia en situaciones de válvulas 4/2 vías. Las válvulas 5/2 vías permiten la evacuación por dos conexiones separadas al avanzar o retroceder el cilindro. No obstante, las funciones de mando de las válvulas 4/2 vías y las de 5/2 vías son fundamentalmente las mismas. Las válvulas neumáticas de impulsos de 5/2 vías tienen capacidad de memoria, en el momento de retirar la señal, la posición se mantiene hasta que la válvula reciba una señal contraria.
Fig. 14. Válvula 5/2 para cilindro doble efecto.
Imagen tomada de la página de FESTO www.festo.com.co.
3.2.3. Sensores magnéticos
El Detector electrónico de posición con elemento de fijación para cilindros, está provisto de una abrazadera para el montaje y de un cable. El cable está equipado con un conector tipo zócalo y tres conectores de seguridad (ver fig. 15).
Este detector de posición emite una señal eléctrica al acercarse un campo magnético (por ejemplo, un imán permanente montado en el émbolo de un
11
FESTO Didacta. Neumática, nivel básico, manual de trabajo. Noviembre de 1997. p. 78 12
cilindro). Las conexiones eléctricas están embebidas. Un diodo luminoso indica el estado de conmutación. Al accionar el detector se ilumina el LED amarillo.
Fig. 15. Sensor magnético.
Imagen tomada de la página de FESTO, www.festo.com.co.
Para que el detector funcione de modo apropiado, deberá tenerse en cuenta la conexión correcta de los polos al conectar la tensión. Para evitar que se confundan los polos, los hilos del cable del conector tipo zócalo están identificados con colores diferentes:
- Rojo (BN) es el polo positivo - Azul (BU) es el polo negativo - Negro (BK) es la salida de señales.
En el polo color negro se conecta la carga (relé) y se une al polo negativo. El detector tiene polos inconfundibles, aunque no es resistente a cortocircuitos (ver anexo 6).
3.2.4. Contador Eléctrico
La unidad tiene un contador eléctrico con pre-selector provisto de sus respectivas conexiones y dos barras colectoras para la alimentación de tensión (ver fig. 16), todos los conectores de seguridad son de 4mm.
El contador eléctrico con pre-selector se ajusta pulsando la tecla blanca y, al mismo tiempo, tecleando el valor preseleccionado. El número preseleccionado se indica en la mirilla. Las conexiones A1 y A2 reciben los impulsos de recuento que se suman en el contador. Al alcanzarse el valor preseleccionado, se activa el conjunto de contactos que cierran o abren circuitos eléctricos. Para inicializar el contador, puede utilizarse la tecla manual correspondiente o se efectúa eléctricamente con una señal de inicialización en las conexiones R1 y R2. Al inicializarse la unidad se mantiene el valor preseleccionado.
Fig. 16. Contador eléctrico.
Imagen tomada de la página de FESTO www.festo.com.co.
Es posible modificar el valor preseleccionado durante el funcionamiento. La señal de inicialización está limitada a un segundo. Durante este tiempo de inicialización no se tienen en cuenta los impulsos de recuento. El contador eléctrico con preselección funciona Independientemente de la polaridad de la tensión conectada (ver anexo 7).
3.2.5. Unidad de mantenimiento
La unidad de mantenimiento es la parte encargada de filtrar y limpiar el aire de toda clase de partículas y humedad que pudieran ingresar al sistema, ocasionando daños y corrosiones (ver fig. 17). 13El diseño de la serie D, es una unidad especialmente robusta y fiable, como lo confirma el cuerpo, la funda metálica y la solidez de las conexiones. La variedad de filtros con grados de filtración de 40 µm, 5 µm, 1 µm y 0,01 µm brinda una opción apropiada para aplicaciones industriales. Por medio de los filtros de carbón activo, las substancias dañinas y los aceites no causan problemas. La tecnología que introduce un secador de membrana reduce la humedad del aire a los niveles más bajos sin que sea necesario efectuar trabajos de mantenimiento (ver anexo 8).
Fig. 17. Unidad de mantenimiento.
Imagen tomada de la página de FESTO www.festo.com.co.
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3.2.6. Accesorios
El bloque de distribución (ver fig. 18) está atornillado a una placa universal mediante ocho racores rápidos de desconexión automática. El bloque de distribución tiene un colector de alimentación de aire comprimido para funciones de control a través de ocho conexiones individuales.
Fig. 18. Bloque de distribución.
Imagen tomada de la página de FESTO www.festo.com.co.
Se utilizaron 10 metros de tubo flexible (ver fig. 19), se escogió esta clase de tubo flexible por sus cualidades, seguridad de trabajo y durabilidad que ofrece, el tubo flexible se dobla en el sentido de su curvatura inherente hasta que su diámetro exterior disminuye un 5 por ciento debido al aplanamiento (ver anexo 9).
Fig. 19. Tubo de material sintético.
Imagen tomada de la página de FESTO www.festo.com.co.
Se utilizaron 15 racores rápidos (ver fig. 20), estos racores permiten la conexión del tubo de material sintético con cada una de las válvulas y cilindros evitando que llegue a haber escape de aire.
Fig. 20. Racor rápido.
3.3 Sistema de control
Desde el momento en que se empezó a diseñar la máquina se tuvieron en cuenta características como: que fuera estructuralmente fuerte, que cumpliera con cada uno de los parámetros establecidos por las normas I.N.V E-748 (ver anexo 1) para el desarrollo de ensayos Marshall y que brindara al usuario una excelente interfaz “hombre – máquina”.
Se usa un PLC FEC-FC20 (ver Anexo 10), el cual controlará y podrá en funcionamiento el COMPACTADOR AUTOMÁTICO DE SUELOS PARA ENSAYOS MARSHALL. Mas adelante se analizaran algunas de las ventajas de un PLC, sobre máquinas y ambientes industriales que otros dispositivos de control como los microcontroladores no podrían llegar a igualar (ver fig. 21).
Fig. 21. PLC, “FEC-FC20”.
Imagen tomada de la página de FESTO www.festo.com.co.
3.3.1 El PLC en la industria
Un PLC es un equipo electrónico programable que permite almacenar una secuencia de órdenes (programa) en su interior y ejecutarlo de forma cíclica con el fin de realizar una tarea. Aunque se podría pensar que es el equivalente a un ordenador, existen diferencias entre ambos. El PLC está diseñado para trabajar en ambientes industriales, ejecutar su programa de forma indefinida y es menos propenso a fallos o "cuelgues" que un procesador convencional. Además, su programación está mas orientada al ámbito industrial, incluso existen lenguajes que "simulan" el comportamiento del equipo con el de un sistema de relés y temporizadores (sobre todo en la gama baja de PLC's y aplicaciones que derivan de cuadros eléctricos).
14El PLC (Controlador Lógico Programable) apareció con el propósito de eliminar
el enorme costo que significaba el reemplazo de un sistema de control basado en relés (relays) a finales de los años 60. La empresa Bedford Associates (Bedford, MA) propuso un sistema al que llamó Modular Digital Controller o MODICON a una empresa fabricante de autos en los Estados Unidos. El MODICON 084 fue el primer PLC producido comercialmente.
Las empresas de hoy, que piensan en el futuro, se encuentran provistas de modernos dispositivos electrónicos en sus máquinas y procesos de control. Hoy las fábricas automatizadas deben proporcionar en sus sistemas, alta confiabilidad, gran eficiencia y flexibilidad.
Este dispositivo fue inicialmente introducido en 1970 y se ha ido refinando con nuevos componentes electrónicos, tales como Micro-procesadores de alta velocidad, agregándole funciones especiales para el control de proceso más complejos. Hoy los Controladores Programables son diseñados usando lo último en diseño de micro-procesadores y circuitos electrónicos, lo cual proporciona una mayor confiabilidad en su operación en aplicaciones industriales, donde podría existir peligro debido al medio ambiente, alta repetibilidad, altas temperaturas, ruido ambiental o eléctrico, suministro de potencia eléctrica no confiable y vibraciones mecánicas. Aunque el PLC se enfrenta a medios “pesados” no presenta problema ya que fue diseñado y concebido para su uso en el medio ambiente industrial.
Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario realizar procesos de maniobra, control y señalización, por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industrial de cualquier tipo al de transformaciones industriales y control de instalaciones. Sus reducidas dimensiones, las extremas facilidades de montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización y la modificación o alteración de los mismos, hacen que su eficiencia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se reduce necesidades tales como:
- Espacio reducido.
- Procesos de producción periódicamente cambiantes - Maquinaria de procesos variables.
- Instalación de procesos complejos y amplios.
- Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.
4. DISEÑO DEL COMPACTADOR
Antes de empezar con la descripción del diseño del “COMPACTADOR AUTOMÁTICO DE SUELOS PARA ENSAYOS MARSHALL” el lector se puede remitir a la figura 12, para tener una idea clara de la estructura de la máquina y poder entender cada uno de los funcionamientos de la máquina a medida que se irán describiendo.
4.1. Sistema neumático
Inicialmente se estudio y probó el sistema neumático que se utilizaría, para de esta forma comprobar que sea lo bastante eficiente para cumplir con todos los requerimientos fijados.
En la parte de control, básicamente se asegura que la secuencia de los actuadores sea correcta por medio de finales de carrera en cada uno de los estados del actuador, con esto, se garantiza que si alguno de los pasos no se cumple correctamente, no se ejecutara el siguiente. La parte neumática se concentrará principalmente en otros sistemas de control adicionales como lo son: Stop, Reset y Paro de emergencia, para una mayor comprensión de estas aplicaciones se realizará la simulación neumática, donde además de comprobar que las conexiones están correctamente, se verá el comportamiento de los cilindros frente a cada una de estas situaciones, (ver anexo 12).
Funcionamiento neumático:
1. Actuador de doble efecto, de fuerza: Se denomino actuador de fuerza debido a que este actuador será el encargado de subir la estructura general (martillo y eje del martillo) y mantenerla en este punto mientras se ubica o se retira el molde (ver Anexo 2).
2. Actuador de doble efecto, largo (18”): Este será el encargado de subir el martillo, hasta que sea sujetado por el actuador de doble efecto, corto (ver anexo 3).
3. Actuador de doble efecto, corto: Será el encargado de controlar le retención del martillo y en un instante dejarlo caer sobre la mezcla (ver anexo 4). Los vástagos de estos cilindros son detectados por sensores magnéticos, que serán los encargados de determinar la posición en la que se encuentra cada uno y así generar la secuencia de compactación.
Se cuenta con un control de mando, que consta de las siguientes opciones: “STOP”, “START”, “RESET” “PARO DE EMERGENCIA” y “SUBIR-BAJAR ESTRUCTURA”; dependiendo de la función que se desee realizar, envían un pulso determinado al PLC y generan una acción determinada por la programación. También se cuenta con un contactor eléctrico, que será el encargado de garantizar al operario que la máquina no generará mas compactaciones de las indicadas previamente por el mismo, además, será el encargado de generar un reset en el momento en que haya cumplido con las compactaciones asignadas y esté listo para la siguiente instrucción.
Finalmente el sistema neumático cuenta con una serie de válvulas 5/2, que aunque no tendrán un contacto directo con el operario como los demás elementos, no son menos importantes; dichas válvulas controlan el sentido de los actuadores (ver anexo 5).
4.1.1. Simulación electro neumática con Fluidsim
Se empleó el Software de Fluidsim versión 3.6h/1.003 Neumática, 20.04.2004 para realizar la simulación de cada una de las implementaciones neumáticas programadas para la máquina, como el software utilizado no cuenta con la implementación de los PLC’s, se realizará la simulación por medio de pulsadores y relés, para observar el correcto funcionamiento de las funciones programadas, la verificación del funcionamiento del PLC se realizara en la parte de control.
Para explicar de una forma clara el funcionamiento y la simulación de la parte neumática, se ha dividido en 4 partes: (ver anexo 12)
1. Circuito de Control 2. Circuito de Potencia
3. Circuito neumático con cilindros y electro válvulas 4. Diagrama de Estado
4.1.1.1. Circuito de control:
En este circuito se puede comprobar que la conexión de cada una de las implementaciones del programa sea correcta, (ver fig. 22 y 23) como lo son los pulsadores de “STOP”, “START”, “RESET” “PARO DE EMERGENCIA” y “SUBIR ESTRUCTURA” y “BAJAR ESTRUCTURA”.
A continuación se muestra la tabla donde se explican las opciones que tiene el control de mando y que hacen parte de la simulación en Fluidsim.
Tabla 2. Funciones de los pulsadores del control de mando.
START Da comienzo al proceso de compactación RESET DEL SISTEMA Coloca en condiciones iniciales el sistema
(A+B-C+) RESET DEL
CONTADOR
El contador en ceros.
STOP Detiene el proceso al final del ciclo.
PARO DE EMERGENCIA Detiene inmediatamente el proceso en cualquier momento, teniendo que oprimir RESET para volver a empezar el proceso. PULSADOR QUE BAJA
EL MARTILLO
Coloca en posición, la base del eje del martillo obre la mezcla.
PULSADOR QUE SUBE EL
MARTILLO
Coloca en posición, la base del eje del martillo a
20cm por encima del molde.
Fuente: Autores.
En la figura 22 se muestra el diagrama del circuito electro neumático diseñado para el control de la máquina compactadora en FluidSim, esta cuenta con un contador, relés, bobinas, pulsadores, finales de carrera. Este sistema consta de la puesta en marcha y funcionamiento del compactador, para eso tiene unas condiciones iniciales en la que el actuador C debe estar en posición C+, es decir es la posición donde la estructura esta sobre la mezcla y lista para empezar la compactación, eso se puede realizar con el pulsador en la simulación de FluidSim BC+ y BC- (o los botones azules en el control de mando), cuando la estructura (eje martillo y martillo) esta en dicha posición ya puede colocar el número de veces que el compactador se debe ejecutar y presionar START, si sucede alguna eventualidad en la que sea necesario detener el ciclo, se puede hacer con Stop y después se oprime “START” para continuar la secuencia, pero si es un evento demasiado grave, se puede detener con “Paro de Emergencia”, y el operario hacer los arreglos respectivos de la máquina y oprimir “reset”.
Toda esta operación es censada por los finales de carrera (sensores magnéticos) colocados en cada uno de los cilindros, y donde actúan como condiciones del sistema de control (A+, A-, B-, B+, C-, C+), y así ejecutan una determinada acción en cada parte del circuito de control.
Fig. 22. Diagrama de control en Fluidsim.
Fuente. Autores.
Los K representan los relés, estos son activados si toda la línea lógica de conexión vertical de cada relé esta cumpliendo con las condiciones que contiene dicha línea de conexión; estos relés son los que activan y desactivan las bobinas del sistema de potencia.
Más adelante se encuentra explicado detalladamente su funcionamiento en la simulación paso a paso.
4.1.1.2. Circuito de potencia:
Este circuito viene después del circuito de control, debido a que es necesario de la señal (voltaje) que le entrega los relés del circuito de control al circuito de potencia, para que así se activen las condiciones (pulsadores) del circuito de potencia y energizar las bobinas que contiene cada línea de conexión vertical. Cada bobina representa las electro válvulas que accionan los cilindros de doble efecto (ver fig. 23 y 24). Esta parte del sistema es importante ya que es la unión entre la parte eléctrica y neumática.
Este circuito energiza con voltaje las electro válvulas YA-, YA+, YB+, YB-, YC-, YC+. Seguido de esto, las bobinas permite que se accionen los cilindros, para que el vástago de los cilindros salga o entre dependiendo de la parte del ciclo en la que se encuentre. Mas adelante se explica mas detalladamente este proceso en la simulación paso a paso.
Fig. 23. Diagrama de potencia en Fluidsim.
Fuente. Autores.
4.1.1.3. Circuito neumático:
Seguido del circuito de potencia va conectado el circuito neumático, donde se encuentran los siguientes elementos: Fuente de alimentación de aire, unidad de mantenimiento, mangueras (en la simulación las líneas que conectan los elementos), 3 válvulas 5/2, 3 cilindros doble efecto, finales de carrera y la señal de energización de las bobinas.
En la figura 24 se ven las conexiones y elementos necesarios para el circuito neumático.
La comprobación del circuito neumático se vera de dos formas: una por los diagramas de estado, que es una gráfica que se analiza más adelante y segundo por medio de la simulación desarrollada en FluidSim y la cual puede ser vista en el CD adjunto al documento.
Fig. 24. Diagrama del circuito neumático en Fluidsim.
Fuente. Autores.
Las válvulas son fundamentales, porque cuando estas se activan, son las que permiten conmutar la señal de voltaje con el paso o bloqueo de aire del sistema y así mismo hace que el vástago del cilindro salga o entre dependiendo de la señal que llega a la válvula.
Tabla 3. Descripción del funcionamiento de las válvulas.
Válvula A+ Sale el vástago del cilindro A y el martillo esta en contacto con la mezcla.
Válvula A- Entra el vástago del cilindro A y el martillo sube a 18 pulgadas de la muestra.
Válvula B+ Sale el vástago del cilindro B y sujeta el martillo hasta que el vástago del cilindro A este en posición A+ .
Válvula B- Entra el vástago del cilindro B y cae el martillo en caída libre Válvula C+ Posición en la que el martillo esta sobre la mezcla.
Válvula C- Posición en la que el martillo esta a 200 mm de la mezcla
4.1.1.4. Diagramas de estado
Los diagramas de estado son datos representados en graficas de FluidSim que permiten ver: el tiempo en segundos, la carrera del vástago y el momento donde cada cilindro sale o entra (ver fig. 25).
Los datos fueron tomados de 0 a 10 segundos; como se ve en la gráfica, el cilindro C esta totalmente afuera, es decir que el martillo está sobre la mezcla, y esta es la condición inicial para poder inicializar la máquina; mientras que el cilindro A y B hacen el proceso de compactación (A- B+ A+ B-).
Durante el primer segundo del diagrama, se garantizan unas condiciones iniciales para poder iniciar la secuencia de compactación, estas condiciones siempre se identificarán al iniciar un nuevo ciclo de compactación.
Fig. 25. Diagrama de estado de los cilindros.
Fuente. Autores.
Nivel alto (NA) = Vástago afuera Nivel bajo (NB) = Vástago adentro
Este diagrama muestra cuales son las condiciones iniciales con las que el sistema arranca cada ciclo, esto es, A+B-C+, es decir el vástago del cilindro que sube el martillo (cilindro A), tiene que estar totalmente afuera, el vástago del cilindro que sujeta el martillo (cilindro B), tendrá que estar adentro y el cilindro que sube y baja el eje del martillo (cilindro C), tendrá que estar con el vástago afuera.
Para iniciar la secuencia se presiona reset para dejar en condiciones iniciales y se oprime START, el cilindro A sube el martillo a posición A-, en el instante que el
final de carrera de este cilindro detecta la posición A- (nivel bajo en la gráfica del cilindro A), el cilindro B sale a posición B+, cuando el final de carrera censa que el cilindro B esta en posición B+ (nivel alto en la gráfica del cilindro B), el cilindro A sale a posición A+ (nivel alto en la gráfica del cilindro A), y cuando llega a esta posición, el cilindro B entra a posición B- (nivel bajo en el cilindro B) y se activa un retardo en el relé para esperar un segundo, esto para que el martillo caiga; y ahí acaba el ciclo; y así el número de veces que el operario haya introducido por la interfaz hombre – máquina.
En la figura 26 se ven más detalladamente las condiciones iniciales para el inicio de la compactación.
Fig. 26. Diagrama de estado de los cilindros en condiciones iniciales.
Fuente. Autores.
El siguiente diagrama muestra donde empieza y termina cada uno de los ciclos, (ver fig. 27), esto se observa con la línea vertical que atraviesa el estado de los cilindros. Primero que todo se puede observar que; mientras la máquina este realizando el proceso de compactación, el vástago del cilindro C permanecerá en la posición C+, es decir con su vástago afuera (nivel alto en la gráfica del cilindro C), esto asegura que durante ese tiempo la estructura siempre este ubicada sobre la mezcla. En cuanto a los cilindros A y B se puede observar que su ciclo se repite de una forma idéntica para todos los ciclos asignados.
Fig. 27. Diagrama de estado para cinco ciclos.
Fuente. Autores.
Cuando el vástago del cilindro A esta adentro (A-), se produce un nivel bajo en la grafica, y significa que el martillo esta a 18 pulgadas de la mezcla, apenas inicia este nivel, el cilindro B sale de posición B- a B+, es decir sale el vástago para sostener el martillo, queda en nivel alto y sujeta el martillo (ver fig. 28).
Fig. 28. Funcionamiento del cilindro A y B (a).
Inmediatamente después de que B esta en nivel alto (B+), el cilindro A sale quedando el vástago extendido pero el martillo esta sostenido por B, apenas se detecta que el cilindro A esta es posición A+, el cilindro B entra el vástago dejando caer el martillo sobre la mezcla (ver fig. 29).
Fig. 29. Funcionamiento del cilindro A y B (b).
Fuente. Autores.
4.1.2. Simulación paso a paso
Se activa el pulsador de C+ para colocar la base del eje del martillo sobre la muestra, luego se pulsa “reset” para dejar en condiciones iniciales el sistema (A+B-C+), después se pulsa “START” para empezar la secuencia. A continuación se activan el relé K1 y K2, este último relé cuenta con un temporizador de un segundo (ver fig. 30).
Diagrama de control para A-
El temporizador de un segundo asegura que el martillo pueda caer completamente sobre la base del eje del martillo en caída libre, por lo cual el temporizador se activa en el mismo paso para cada ciclo, el temporizador es de funcionamiento a la conexión, lo que indica que se activa en el momento en que recibe el pulso, pasado el tiempo establecido se activa el relé K2 y finalmente se pasa a la etapa de potencia (ver fig. 30).
Fig. 30. Diagrama de control para A-.
Fuente. Autores.
Diagrama de potencia para A-
Se activa el solenoide de válvula YA- (ver fig. 31), que corresponde al cilindro que sube el martillo, después de que se sube el martillo el sensor detecta que esta en posición A- y el circuito de control activa el relé K3 (ver fig. 32).
Fig. 31. Diagrama de potencia para A-.
Fuente. Autores.
Diagrama de control para B+
Una vez que se ha activado el relé K3, se permite el paso del voltaje para energizar el solenoide YB+, en este instante el cilindro B se lleva a un nivel alto
(B+), permanece 2cm por debajo del martillo de compactación, en el siguiente paso el cilindro B, será el encargado de mantener el martillo a una altura de 18” (ver fig. 32).
Fig. 32. Diagrama de control para B+.
Fuente. Autores.
Diagrama de potencia para B+
Después de que el cilindro B se encuentra en posición de B+, el sensor magnético, que en este caso funciona como final de carrera, envía la señal necesaria para la activación del relé K4 (ver fig. 33).
Fig. 33. Diagrama de potencia para B+.
Diagrama de control para A+
Luego de que se activa el relé K4 se produce la energización del solenoide YA+, el cual es el encargado de que el vástago del cilindro A salga hasta la posición A+, dejando el martillo sostenido por medio del vástago del cilindro B, esto se hace con la idea de que, en el momento en el que el martillo caiga no sea obstruido por nada (ver fig. 29), en el momento en que el martillo cae, el cilindro A estará en la posición A+, lo que indica que su vástago no tendrá ninguna clase de contacto con el martillo (ver fig. 34).
Fig. 34. Diagrama de control para A+.
Fuente. Autores.
Diagrama de potencia para A+
Se energiza K4 y activa YA+ (ver fig. 35). Después de que el cilindro A se encuentra en posición de A+, el sensor magnético, que en este caso funciona como final de carrera, envía la señal necesaria para la activación del relé K5 (ver fig. 36).
Fig. 35. Diagrama de potencia para A+.
Fuente. Autores.
Diagrama de control para B-
Después de que se ha activado el relé K5, se permite el paso de la corriente para energizar el solenoide YB-, en este instante el cilindro B se lleva a un nivel bajo (B-), finalmente en el instante en que el relé K5 se activa se produce un pulso en el contador eléctrico, el cual aumentara de uno en uno hasta que se complete el valor previamente introducido por el operario, en ese instante el circuito se abrirá y evitará que el circuito continué la secuencia (ver fig. 36).
Fig. 36. Diagrama de control para B-.
Diagrama de potencia para B-
En el instante en que se activa el relé K5 y se llega a la posición B- del cilindro B, se produce la caída libre del martillo y sin tener ningún contacto con el vástago del cilindro A, en este mismo instante se envía un pulso al contador y se finaliza el ciclo (ver fig. 37).
Fig. 37. Diagrama de potencia para B-.
Fuente. Autores.
La siguiente es la lista de implementos utilizados durante el montaje del circuito para la simulación en Fluidsim. (ver tabla 4).
4.1.2.3. Elementos utilizados en la simulación
Tabla 4.Elementos usados en la simulación.